Клеточная стенка

МИКРОБИОЛОГИЯ И
ВИРУСОЛОГИЯ
Лекция 5
Морфология и ультраструктура
бактерий
Прокариоты и эукариоты
• «Истинные» бактерии (которые включают все
патогенные для человека бактерии) входят в
одно царство – Eubacteria (или домен Bacteria
по новой классификации). Эубактерии также
широко распространены в окружающей среде
• Вторая группа бактерий окружающей среды
составляет второе царство Archebacteria (или
второй домен - Archea по новой
классификации). Эти бактерии не патогенны
для человека
Прокариоты и эукариоты
• Морфологически представители этих двух
царств сходны и поэтому вместе составляют
надцарство Procaryotae. Однако они имеют
существенные молекулярные и
биохимические отличия
• Все другие клеточные формы жизни
(включая растения, животных, человека и
грибы) относятся к надцарству Eucarya Эукариотам
Принципиальные отличия организации и функционирования
клеток прокариот
Прокариоты:
• Отсутствие мембран, с помощью которых
органеллы микробной клетки (например,
ядро) отграничены от цитоплазмы –
отсутствие подразделения клеток на отсеки
(компартментализация).
• Имеется
только
цитоплазматическая
мембрана, отделяющая цитоплазму от
клеточной оболочки или непосредственно от
внешней среды.
Принципиальные отличия организации и функционирования
клеток прокариот
Прокариоты:
• Бактериальные рибосомы 70S, субъединицы – 30S
(16SРНК) и 50S (23SРНК и 5SРНК) (S–единица размера
Swedberg).
• Рибосомы эукариот больше - 80S
• У прокариот отсутствуют митохондрии,
окислительно-восстановительные ферменты
локализованы в производных образованиях
цитоплазматической мембраны - мезосомах.
• Рибосомы митохондрий эукариот также, как и
бактериальные рибосомы, имеют размер 70S,
считают, что митохондрии эукариот ранее были
свободно живущими бактериями, поглощенными
затем эукариотическими клетками
Принципиальные отличия организации и функционирования
клеток прокариот
Прокариоты:
• Ядро у прокариот, которое часто называют
нуклеоидом,
имеет
фибриальную
структуру и не отграничено от цитоплазмы
ядерной
мембраной.
Поскольку
отсутствует ядерная мембрана, нуклеоид
связан
со
специфическим
сайтом
цитоплазматической мембраны - мезосомой
• В клетках прокариот отсутствуют также
пластинчатый
комплекс
Гольджи,
эндоплазматический ретикулум, фагосомы и
лизосомы
Принципиальные отличия организации и функционирования
клеток прокариот
Принципиальные отличия организации и функционирования
клеток прокариот
•Клеточные
(холестерина)
мембраны
лишены
стеринов
•У прокариот отсутствует митоз. Они размножаются
путем бинарного деления и существуют в
гаплоидном
состоянии,
вследствие
чего
диплоидность эукариот, имеющая огромное значение
в их эволюции, не играет никакой роли в эволюции
прокариот.
•У прокариот отсутствует также клеточный центр.
Для них нетипичны внутриклеточные перемещения
цитоплазмы и амебовидное движение.
Различия бактерий и архебактерий
•Бактерии ( за исключением микоплазм) имеют
пептидогликан (синонимы: муреин, мукопептид,
скелет клеточной стенки). Пептидогликан содержит
уникальный сахар – мурамовую кислоту, и
встречается только у этих организмов.
•Архебактерии содержат псевдомуреин, который
отличается по структуре от муреина бактерий
•16S рибосомальная РНК двух царств бактерий
отличается по нуклеотидному составу.
•Архебактерии не патогенны и далее
рассматриваться не будут.
•Все последующее изложение относится к бактериям.
Принципиальные отличия организации и функционирования клеток
прокариот
Ультраструктура бактериальной клетки
•Бактериальная клетка окружена клеточной оболочкой.
•Клеточная оболочка = клеточная стенка +
цитоплазматическая мембрана
•Клеточная стенка = пептидогликан + прикрепленные
структуры
•От их состава зависит способность клетки
воспринимать анилиновые красители (тинкториальные
свойства).
Ультраструктура бактериальной клетки
•Снаружи от цитоплазматической мембраны
расположена содержащая пептидогликан жесткая
клеточная стенка, защищающая клетку от
осмотического лизиса и придающая ей форму и
жесткость.
•Пептидогликан и специфические ферменты,
вовлеченные в его биосинтез, являются
уникальными атрибутами почти всех прокариот, за
исключением Halobacterium halobium и микоплазм.
•Ферменты биосинтеза пептидогликана являются
мишенью для специфических антибиотиков,
угнетающих биосинтез пептидогликана.
•Пептидогликановый слой грамположительных
бактерий значительно толще и устроен по иному, чем
у грамотрицательных.
Ультраструктура бактериальной клетки
Структура пептидогликана представлена параллельными
полисахаридными (гликановыми) цепями, состоящими из
чередующихся
звеньев
N-ацетилглюкозамина
и
Nацетилмурамовой кислоты. С каждым остатком данной
кислоты ковалентно связан тетрапептид, в состав которого
входят четыре разные аминокислоты, в том числе лизин, либо
диаминопимелиновая кислота (ДПК), встречающаяся
только у бактерий. Каждая из упомянутых аминокислот имеет
аминогруппы,
образующие
пептидные
связи.
У
грамположительных бактерий (например, Staphylococcus aureus)
пептидные цепи
часто связаны поперечными пептидными
мостиками, у грамотрицательных они связаны частично.
Ультраструктура бактериальной клетки
Ультраструктура бактериальной клетки
•ß-1,4 гликозидные связи между N-ацетилмурамовой кислотой и Nацетилглюкозамином специфически разрезаются
бактериолитическим ферментом лизоцимом. Этот фермент
присутствует в тканях и секретах человека и может вызвать полное
переваривание пептидогликановых стенок чувствительных
микроорганизмов.
•При переваривании лизоцимом клеточной стенки
грамположительных бактерий, взвешенных в осмотическом
стабилизаторе (таком, как сахароза), образуются протопласты. Эти
протопласты способны выживать и продолжают расти в
подходящей среде в виде форм, лишенных клеточной стенки.
Ультраструктура бактериальной клетки
•Грамотрицательные бактерии, обработанные таким образом, образуют
сферопласты, которые сохраняют большую часть структуры наружной
мембраны.
•Зависимость формы бактерий от пептидогликана показана
превращением палочковидных бактерий в сферические
протопласты (сферопласты) после ферментативного
разрушения пептидогликана. Механическая
защита,
предоставляемая клетке пептидогликаном клеточной стенки,
очевидна ввиду осмотической хрупкости протопластов и
сферопластов.
Ультраструктура бактериальной клетки
•Существуют две группы бактерий, лишенных защитной
структуры пептидогликана клеточной стенки – микоплазмы и
L-формы, происходящие от грамположительных и
грамотрицательных бактерий.
• L-формы названы так потому, что были открыты и описаны в
Институте Листера (Lister) в Лондоне.
•Микоплазмы и L-формы грамотрицательны, не чувствительны
к пенициллину и ограничены поверхностными мембранными
структурами. L-формы, возникшие спонтанно в культурах или
выделенные во время инфекций структурно близки к
протопластам и сферопластам. Все три формы - протопласты,
сферопласты и
L-формы реверсируют в исходные формы
редко и только в особых условиях.
Ультраструктура бактериальной клетки
•Грамотрицательные бактерии имеют
дополнительную наружную мембрану, служащую
главным барьером клетки. Пространство между
внутренней и наружной мембраной называется
периплазматическим пространством, в котором
запасаются гдролитические ферменты (протеазы,
фосфатазы, , осуществляющие внеклеточное
переваривание.
•Переваривание необходим для обеих групп
бактерий, так как крупные молекулы с трудом
преодолевают наружную и цитоплазматическую
мембраны.
Ультраструктура бактериальной клетки
У
грамотрицательных
бактерий
пептидогликан
однослоен и покрыт наружной мембраной с мозаичным
строением. В ее состав входит липопротеин Брауна,
образующий
глобулярный
слой
в
результате
ковалентной связи с пептидогликаном. Он покрыт
пластинчатой мембраноподобной структурой, состоящей
из фосфолипидов, липополисахарида (ЛПС) и белков.
•Наружная мембрана пронизана белками-поринами своеобразными
выводными
каналами,
которые
обеспечивают диффузию химических веществ из
внешней среды в микробную клетку.
Ультраструктура бактериальной клетки
Клеточная оболочка грамотрицательных
бактерий
Наружная мембрана
(главный барьер проникновения)
Порин
Липополисахарид
Липопротеин Брауна
Пептидогликан
Гидролитические ферменты
Периплазматический связанный белок
Внутренняя (цитоплазматическая) мембрана
цитоплазма
Пермеаза
Ультраструктура бактериальной клетки
Особое значение имеет ЛПС, содержащийся в значительном
количестве в составе КС грамотрицательных бактерий.
В структуре ЛПС имеется три звена: основное (базисное), к
одному концу которого присоединен липид (второе звено), а к
противоположному - повторяющиеся звенья сахаров (третье
звено), составляющих детерминантную группу. ЛПС обладает
антигенными (О-антиген) и токсическими свойствами и
поэтому часто называется эндотоксином
Базисное звено ( ядро, core) представляет собой полисахарид, у
грамотрицательных бактерий, включающий глюкозу (Гл),
галактозу (Гал), М-ацетилглюкозамин (Ац-Гл) и 2-кето-Здезоксиоктонат
(КДО).
Повторяющиеся
звенья
детерминантной группы неодинаковы у разных видов
бактерий. В них входят галактоза, манноза, рамноза, Nацетилглюкозамин и редко встречающиеся сахара [абеквоза,
колитоза (Кол), тивелоза и др.].
Ультраструктура бактериальной клетки
Липополисахарид
n
Детерминантная группавысоко вариабельный
-O-антиген
•сахара
• N-ацетилглюкозамин
Базисное звено (Core)
• Гептозы
• КДО
Липид А
• Глюкозаминдисахарид
• Бета-гидрокси-жирные
кислоты
Ультраструктура бактериальной клетки
•Грамположительные бактерии не имеют
периплазматического пространства, не запасают
гидролитических ферментов, а выделяют их во
внешнюю среду, переваривание происходит снаружи
бактериальной клетки
•Тейхоевые кислоты , производные риботола или
глицерина, это полимеры, имеющие сильный
отрицательный заряд.
У некоторых
грамположительных бактерий они связаны ковалентно
с пептидогликаном, пронизывают его насквозь или
находятся на его поверхности. Они сильные антигены,
но как правило, отсутствуют у грамотрицательных
бактерий.
•Липотейхоевые кислоты имеют такое же строение, но
закреплены в цитоплазматической мембране, также
пронизывают пептидогликан или располагаются между
ним и цитоплазматической мембраной Они обладают
Ультраструктура бактериальной клетки
Клеточная оболочка грамположительных
бактерий
Гидролитические ферменты
Липотейхоевая кислота
Пептидогликан-тейхоевая кислота
Цитоплазматическая мембрана
Цитоплазма
Ультраструктура бактериальной клетки
Клеточная оболочка бактерий
Фундаментальные различия поверхностных структур
грамположительных и грамотрицательных бактерий
объясняют результаты их окрашивания по Граму.
•Оба типа бактерий поглощают одинаковое количество
генцианвиолета (ГВ) и раствора Люголя (Л). Комплекс
ГВ-Л, однако, задерживается внутри
грамположительных клеток благодаря обезвоживанию
и низкой пористости толстой клеточной стенки на
этапе отмывания 95% спиртом или другими
растворителями.
•Напротив, тонкая клеточная стенка и наличие
возможных ее прерывностей в местах присоединения
мембраны не препятствуют вымыванию комплекса ГВЛ растворителями из грамотрицательных клеток.
Ультраструктура бактериальной клетки
Клеточная оболочка бактерий
Кроме того, механическое нарушение клеточной
стенки грамположительных бактерий или ее
ферментативное удаление лизоцимом приводит
к полному вымыванию комплекса ГВ-Л и
переходу в грамотрицательную реакцию.
Поэтому действие аутолитических ферментов,
вызывающих разрывы в клеточной стенке
может являться причиной грамотрицательной
или грамвариабельной реакции культур
грамположительных бактерий, таких как
стафилококки, клостридии, коринебактерии и
некоторые виды бацилл.
Ультраструктура бактериальной клетки
•
Жгутики
– Встроены в цитоплазматическую мембрану и прикрепляются к
базальному телу, состоящему из системы нескольких дисков,
вмонтированных в цитоплазматическую мембрану и КС
– Выступают из клетки как нити
– В их состав входит белок флагеллин (типа сократительного
белка миозина)
– Придают клетке движения, действуя
как пропеллер
– Обладают антигенными свойствами (Н-антиген)
Ультраструктура бактериальной клетки
Жгутик
Базальное
тело
Количество и расположение жгутиков у разных бактерий
неодинаково:
Монотрихи имеют на одном из полюсов только один жгутик
Амфитрихи - жгутики расположены на обоих полюсах клетки
Лофотрихи - пучок жгутиков на одном из полюсов
Перитрихи - жгутики расположены по всей ее поверхности
Ультраструктура бактериальной клетки
Фибриллы
• Имеются у спирохет
– Подобны по функциям жгутикам и
также состоят из флагеллина
– Проходят по всей длине клетки
между цитоплазматической
мембраной и цитоплазмой
– Обеспечивают змееподобное
движение
Ультраструктура бактериальной клетки
Пили (ворсинки, фимбрии)
•Тонкие полые нити белковой природы длиной 0,3-10 мкм, толщиной 10
нм, покрывающие поверхность бактериальных клеток. В отличие от
жгутиков не выполняют локомоторную функцию. По своему
функциональному назначению подразделяются на несколько типов.
•Пили 1 общего типа обусловливают прикрепление или адгезию
бактерий к определенным клеткам организма хозяина. Их количество
велико - от нескольких сотен до нескольких тысяч на одну
бактериальную клетку. Адгезия является первоначальной стадией
любого инфекционного процесса.
•Пили 2 типа (синоним: конъюгативные, или половые, пили — sex pili,
F-пили) участвуют в конъюгации бактерий, обеспечивающей перенос
части генетического материала от донорной клетки к реципиентной.
Они имеются только у бактерий-доноров в ограниченном количестве
(1-4 на клетку).
Ультраструктура бактериальной клетки
Ультраструктура бактериальной клетки
Цитоплазматическая мембрана (ЦМ)
•Является жизненно необходимым структурным компонентом
бактериальной клетки. Она ограничивает протопласт,
располагаясь непосредственно под клеточной стенкой.
•ЦМ в химическом отношении представляет собой
липопротеин, состоящий из 15-30% липидов и 50-70%
протеинов. Кроме того, в ней содержится около 2-5%
углеводов и незначительное количество РНК.
В состав
мембранных липидов входят главным образом нейтральные
липиды и фосфолипиды. У некоторых бактерий встречаются
гликолипиды, а у микоплазм — стеролы.
•Липидный состав мембран непостоянен в качественном и
количественном отношении. У одного и того же вида бактерий
он изменяется в зависимости от условий ее культивирования
на питательной среде и возраста культуры.
Ультраструктура бактериальной клетки
•Разные виды бактерий отличаются друг от друга по
липидному составу своих мембран.
•Мембранные белки разделяются на структурные и
функциональные
•К
последним относятся ферменты, участвующие в
биосинтезе разных компонентов КС, который происходит
на
поверхности
ЦМ,
а
также
окислительновосстановительные ферменты
•ЦМ является сложно организованной структурой,
состоящей из трех слоев, которые выявляются при
электронно-микроскопическом исследовании. Двойной
фосфолипидный слой пронизан глобулинами, которые
обеспечивают транспорт веществ в бактериальную клетку.
Ультраструктура бактериальной клетки
•ЦМ выполняют жизненно важные функции,
нарушение которых приводит клетку к гибели. К
ним относится прежде всего:
• Регуляция поступления в клетку метаболитов и
ионов,
•Участие в метаболизме
• Участие в репликации ДНК
•Участие у ряда бактерий в спорообразовании.
Ультраструктура бактериальной клетки
•Мезосомы являются производными ЦМ. Они имеют
неодинаковое строение у разных бактерий, располагаясь в
разных частях клетки либо в виде концентрических
мембран, либо пузырьков, трубочек, либо в форме петли,
характерной в основном для грамотрицательных
бактерий.
•Мезосомы связаны с нуклеоидом.
•Они участвуют в делении клетки и спорообразовании.
•В них локализованы окислительно-восстановительные
ферменты.
Ультрастуктура бактериальной клетки
Капсулы и слизистые слои.
•Это структуры, составляющие самый наружный слой
внешней оболочки. Более выраженные называют капсулами,
менее выраженные – слизистыми слоями или
гликокаликсом.
•Обычно они состоят из полисахаридов, однако у
сибиреязвенного микроба капсула представлена
полипептидом d-глутаминовой кислоты. Они не являются
жизненно необходимыми, некоторые штаммы одного и того
же вида продуцируют капсулу, другие нет.
•Капсулы патогенных бактерий угнетают фагоцитоз и
внутриклеточное переваривание фагоцитированных клеток.
Они выполняют защитную функцию, предохраняя клетку от
неблагоприятных условий среды обитания и адгезивную,
способствуя прилипанию к поверхности клетки хозяина.
Ультрастуктура бактериальной клетки
Капсула B. anthracis (1000X)
Ультраструктура бактериальной клетки
Споры и спорообразование.
•Споры бактерий можно рассматривать как форму
сохранения
наследственной
информации
бактериальной клетки в неблагоприятных условиях
внешней среды.
•Способностью
к
спорообразованию
обладает
сравнительно небольшое число как патогенных, так и
непатогенных бактерий. К первым относятся
бактерии родов Bacillus, Clostridium, ко вторым —
сапрофитные представители упомянутых родов и
некоторые кокки.
Ультраструктура бактериальной клетки
•Процесс спорообразования начинается с формирования
спорогенной зоны внутри бактериальной клетки,
представляющей собой уплотненный участок цитоплазмы
с расположенным в нем нуклеоидом. Затем происходит
образование проспоры путем изолирования спорогенной
зоны от остальной части цитоплазмы с помощью
врастающей внутрь клетки ЦМ. Между внутренним и
наружным слоями последней образуется кортекс,
состоящий из особого пептидогликана.
•В дальнейшем внешняя сторона мембраны покрывается
плотной оболочкой, в состав которой входят белки,
липиды и другие соединения, не встречающиеся у
вегетативных клеток.
Ультраструктура бактериальной клетки
Деление вегетативной
клетки
Споруляция
Ультраструктура бактериальной клетки
•К
ним
относятся
дипиколиновая
кислота,
обусловливающая термоустойчивость споры, и др.
Затем вегетативная часть клетки отмирает, и спора
сохраняется во внешней среде в течение длительных
сроков, измеряемых многими месяцами и годами.
•Способность ряда патогенных бактерий образовывать
длительно сохраняющиеся во внешней среде споры,
обладающие
высокой
термоустойчивостью,
обусловлена низким содержанием воды, повышенной
концентрацией кальция, структурой и химическим
составом ее оболочки.
Ультраструктура бактериальной клетки
Эндоспора
Экзоспориум
Оболочка споры
Наружная
мембрана
кортекс
Внутренняя
мембрана
Ультраструктура бактериальной клетки
•Чрезвычайно высокая устойчивость спор к
физическим
и
химическим
факторам
имеет
существенное
эпидемиологическое
значение,
поскольку способствует сохранению источника
инфекции и загрязнению окружающей среды.
•Споры многих патогенных бактерий выдерживают
кратковременное кипячение, устойчивы к действию
небольших
концентраций
дезинфектантов.
Загрязнение
спорами
патогенных
бактерий
поврежденных участков кожи может привести к
возникновению раневой инфекции и столбняка.
Ультраструктура бактериальной клетки
•В благоприятных условиях спора прорастает в
вегетативную клетку. Спора набухает, что связано с
увеличением в ней количества воды, активированием
ферментов, участвующих в энергетическом и
пластическом
метаболизме.
Далее
происходит
разрушение оболочки споры и выход из нее ростовой
трубки, после чего завершается синтез клеточной
стенки и сформировавшаяся вегетативная клетка
начинает делиться. Прорастание споры происходит в
течение 4-5 ч, в то время как образование спор
продолжается до 18-20 ч.
•Вместе с тем способность бактерий образовывать
споры, различающиеся по форме размерам и
локализации в клетке, является таксономическим
признаком, который используется для их
дифференцировки и идентификации.
Ультраструктура бактериальной клетки
•Цитоплазма у прокариот, так же как и у эукариот,
представляет собой сложную коллоидную систему,
состоящую из воды (около 75%), минеральных
соединений, белков, РНК и ДНК, которые входят в состав
органелл нуклеоида, рибосом, мезосом, включений.
•Нуклеоид является эквивалентом ядра эукариот, хотя
отличается от него по своей структуре и химическому
составу. Он лишен ядерной мембраны, не делится
митозом. В составе нуклеоида отсутствуют основные белки
- гистоны. Исключение составляют только некоторые
бактерии. В нем содержится двунитевая молекула ДНК, а
также небольшое количество РНК и белков.
Ультраструктура бактериальной клетки
•Молекула ДНК с молекулярной массой (2-3) х 109 D
представляет собой замкнутую кольцевую структуру,
в которой закодирована наследственная информация
клетки. По аналогии с хромосомами эукариот
бактериальная ДНК часто обозначается как
хромосома. При этом следует помнить, что она
представлена в клетке в единственном числе,
поскольку бактерии являются гаплоидными. Однако
перед
делением
клетки
число
нуклеоидов
удваивается, а во время деления увеличивается до 4 и
более.
Ультраструктура бактериальной клетки
•Как правило, геном бактерий представлен одной
хромосомой - кольцевой молекулой ДНК.
•Некоторые патогенные бактерии имеют две
хромосомы, например, Vibrio cholerae и Brucella
•Кроме хромосом, геном многих бактерий включает
внехромосомные кольцевые суперспирализованные
молекулы ДНК, плазмиды.
•Плазмиды обычно имеют несколько копий и
кодируют факторы патогенности , устойчивости к
антибиотикам, размножения.
Ультраструктура бактериальной клетки
•Рибосомы
у
бактерий
представляют
собой
рибонуклеопротеиновые частицы размером 20 нм,
состоящие из двух субъединиц 30S и 50S. Перед
началом синтеза белка происходит объединение этих
субъединиц в одну — 70S. В отличие от клеток
эукариотов, рибосомы бактерий не объединены в
эндоплазматическую сеть. Бактериальные рибосомы,
являющиеся
белоксинтезирующими
системами
клеток, могут стать «мишенью» для действия многих
антибиотиков.
Ультраструктура бактериальной клетки
•Включения являются продуктами метаболизма
прокариотических
микроорганизмов,
которые
располагаются в
цитолазме и используются в
качестве запасных питательных веществ. К ним
относятся включения гликогена, крахмала, серы,
полифосфата (волютина) и др. У некоторых бактерий,
например
дифтерийной
палочки,
включения
волютина имеют дифференциально-диагностическое
значение.
Они
обладают
способностью
к
метахромазии (окрашиваются в иной цвет, чем цвет
красителя).